CC BY
19•ч
" ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ В ЯКУТИИ
йЬМ
Дмитрий Гаврильевич Баишев,
Институт а космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г Шафера СО РАН..
I ^
Геннадий Викт орович Борисов,
к.ф.-м.н, с.нс. лаборатории полярных сияний и ночного неба Институт а космофизических исслед им.
Виталий Андреевич Величко,
к.ф.-м.н, с.н.с. лаборатории геомагнетизма Института космо-
Ст епан Иванович Соловьев,
д.ф.-м.н, заведующий отделом аэрономии Институт а космофизических исследований и а эрономии им. Ю.Г. Шафера СО ТАН.
Д. Г. Баишев, Г. В. Борисов, В. А. Величко, С. И. Соловьев
Полярные сияния являются одним из наиболее ярких и красочных явлений северной природы. Они вызываются свечением входящих в состав земной атмосферы газов и возникают на высотах в сотни и более километров над поверхностью нашей планеты, то есть там, где плотность газа предельно мала, и атмосфера плавно сменяется околоземным космическим пространством. Эта пограничная область, находящаяся в магнитном поле Земли и содержащая заряженные частицы, называется магнитосферой. Под действием непрерывно испускаемого Солнцем потока вещества - солнечного ветра -в магнитосфере происходят сложные процессы, одним из следствий которых является возникновение потоков электронов и протонов. Они проникают по сложным траекториям в верхнюю часть атмосферы Земли и заставляют ее светиться. Такое свечение, нередко фантастически причудливое и красочное, названо «полярными сияниями». Согласно международной классификации, они подразделяются по структуре, форме, яркости, цвету и положению на небосводе. Активной формой полярных сияний является, например, «корона»
(рис. 1). Она образуется пучками лучей, сходящихся в магнитном зените станции наблюдений, и охватывает иногда почти весь небосвод.
Вблизи полюсов Северного и Южного полушарий нашей планеты полярные сияния возникают практически ежедневно, а на широтах Якутска - только в периоды сильных магнитных возмущений. Они наблюдаются в темное время суток и видны невооруженным глазом. Такая локализация этого феномена объясняется структурой магнитного поля Земли и топологией магнитосферы, а также особенностями воздействия Солнца. Физика и морфология полярных сияний изучаются астрофизикой, физикой плазмы и планетарной геофизикой, поскольку их возникновение обусловлено многими процессами в солнечно-земной системе.
Инструментальные наблюдения полярных сияний дают уникальные экспериментальные материалы, обработка и анализ которых позволяют ученым и специалистам получать новые научные сведения о явлениях и процессах, происходящих в ближнем космосе. Изучение полярных сияний представляет не только научный, но и практический интерес. В на-
На фото вверху - снимок полярного сияния с космического аппарата Шаттл [http://www-istp.gsfc.nasa.gov/istp/outreach/auroras.html].
Рис. 1. Одна из зрелищных форм полярных сияний - «корона» [http://www-istp.gsfc.nasa.gov/istp/outreach/auroras.html].
стоящее время верхняя атмосфера стала средой обитания человека - в ней работают экипажи пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций. Исследования этого феномена необходимы также для решения вопросов хозяйствования и жизнеобеспечения человека. Дело в том, что полярные сияния, являясь одним из проявлений солнечной активности, могут нарушать радиосвязь, а также создавать аварийные ситуации на протяженных линейных объектах: электролиниях и нефтепроводах. Под влиянием подобных возмущений оказывается все живое на нашей планете, в том числе и человек.
Интенсивность и пространственная протяженность полярных сияний определяются величиной солнечной и магнитной активности. Рост последней уменьшает высоту наиболее яркой части этого красочного явления. В периоды возрастания магнитной активности увеличиваются долготные и широтные размеры полярных сияний. Цвет их определяется газом, испускающим излучение определенной длины волны. Например, сияния красного цвета (длина волны 630,0 нм) обусловлены атомарным кислородом, а зеленого (557,7 нм) - кислородом. Параметры полярных сияний зависят, кроме того, от широты и долготы, времени суток и сезона наблюдений, а также других факторов.
На рис. 2 показан фрагмент красивой лучистой полосы сияния, напоминающего занавес. Он образован пучками лучей разных размеров и яркости. Хорошо видно, что основной цвет полосы - зеленый.
Регулярные инструментальные наблюдения полярных сияний в Якутии были начаты в период Международного геофизического года (19571958 гг.) и продолжаются до сих пор [1]. Для исследования пространственно-временных вариаций полярных сияний на станциях, расположенных в поселках Тикси, Оленёк, Жи-ганск, Казачье и в городах Верхоянск, Якутск, Алдан, была установлена сеть фотографических камер С-180. В эти же годы началось изучение и спектральных параметров этого явления (спектрографами). С 1970 г. и по настоящее время зенитными и сканирующими фотометрами исследуются яркость полярных сияний в различных областях спектра и их пространственно-временные характеристики вдоль плоскости меридиана станции наблюдений в период возмущений в магнито-сфере. Кроме динамических, спектральных и геометрических параметров полярных сияний, изучаются малые вариации слабых диффузных свечений, тепловой режим и крупномасштабная динамика
Рис. 2. Яркая лучистая полоса полярного сияния на ночном небе высокоширотной верхней ат мосферы [http://www-istp.gsfc.nasa.gov/istp/outreach/auroras.html].
верхней атмосферы (фотоэлектрическими интерферометрами), а также источники волновых возмущений (спектрометрами). В последние годы исследования ведутся как фотометрическими, так и телевизионными методами, предполагающими применение видеокамер разного типа с широкоугольным объективом.
Необходимо отметить, что установленные в Якутии типовые фотографические камеры С-180 из-за длительной их экспозиции не подходят для наблюдений лучистых форм сияний, отличающихся большой динамичностью. Поэтому в Институте космофизических исследований и аэрономии СО РАН (ИКФИА) под руководством В.П. Самсонова и Г.К. Назарчука была разработана и изготовлена телевизионная установка с высоким временным разрешением на базе промышленной ПТУ-101 с объективом «Юпитер-3» (поле зрения 25?х 30?). Последняя ее модификация создана С.Р Смотрицким в 1979 г и установлена в пос. Тикси. Это позволило регистрировать лучистые формы сияний - их изображение вместе с показаниями индикатора времени записывалось с экрана камеры на кинопленку [2]. Определялась ориентация лучей вблизи зенита станции наблюдений. Обнаружено, что в период усиления магнитосферных возмущений время жизни лучей не превышает 2 с, что показывает их быструю сменяемость. В авроральных суббурях*, происходит изменение яркости последних и их пространственного положения по всему небо-своду. Анализ серий телевизионных кадров показал большой разброс (до 8?) мгновенных положений радианта - области схождения лучей в магнитном зените станции наблюдений [2]. Выявлено пространственное распределение точек схождения лучей в виде секторов, образованных лучами, отклоненными либо невозмущенными силовыми линиями, либо силовыми линиями, изменившими взаимное положение во время взрывной фазы суббури [3].
На рис. 3 приведена динамика лучей полярного сияния. Кадры показывают, что время жизни, ориентация и местоположение лучей в пространстве меняются за доли секунды. Отмечено, что в период взрывной фазы в лучистой полосе ориентация лучей существенно отличается от обычно наблюдаемой [4]. Ее изменение обусловлено, вероятно, динамическими процессами, связанными с локальными высыпаниями заряженных частиц, или формированием альфвеновских волн**.
Исследована была также структура лучистых сияний и ее связь с геомагнитными пульсациями - электромагнитными волнами очень низкой частоты, наблюдаемыми у поверхности Земли [3-5]. Необходимо отметить, что проблемами генерации, локализации и динамики корот-коживущих авроральных структур и сопровождающих их геомагнитных пульсаций занимались многие исследователи. Однако остается еще много вопросов. Поэтому для оценки, в частности, роли магнитосферных плазменных неустойчивостей, вызывающих формирование неодно-родностей в ионосфере и в магнитном поле Земли, проводилось изучение этих явлений различными методами. Такое комплексное исследование параметров ионосферы и магнитосферы было выполнено по Международно-
Рис. 3. Динамика лучистых форм полярного сияния в секундном инт ервале. 16.13.31 UT-мировое время (по Гоинвичу); N 180, N 185 -номера кадров. 1 апреля 1984 г. (пос. Тикси).
му научному проекту «210? магнитный меридиан». Согласно этому проекту, в 1992-1996 гг. на территории различных стран мира было установлено 26 магнитных станций по 210? геомагнитному меридиану (в высоких широтах северного полушария, на экваторе и далее до южного полюса). Организатором и руководителем этого Международного проекта являлся профессор К. Юмото (Университет Кюсю, Япония) [6]. Работа по установке четырех (из этой цепочки) станций на территории нашей республики (о. Котельный, поселки Тикси, Чокурдах и Зырянка) была проделана сотрудниками ИКФИА СО РАН. Магнитные станции, участвующие в проекте, имели единую научную программу и регистрировали магнитное поле в непрерывном режиме с 1-секундным разрешением.
В рамках Международного научного проекта «210? магнитный меридиан» на станциях наблюдений в поселках Тикси (с марта 1994 г.) и Жиганске (с октября 1995 г.) ведется систематическая регистрация полярных сияний в темное время суток в безлунный период. При этом используются телевизионные камеры одного типа. На-
* Возмущения в магнитосфере длительностью 1-2 ч, наблюдаемые вблизи полуночи по местному времени, в солнечно-земной физике получили название магнитосферных суббурь. По наземным методам регистрации возмущений различают авроральные суббури, т.е. суббури в сияниях, и полярные магнитные суббури.
** Альфвеновские волны - магнитогидродинамические волны, распространяющиеся вдоль магнитных силовых линий. Существование таких волн предсказал шведский физик и астрофизик Х. Альфвен.
блюдательная часть установки - видеокамера с широкоугольным объективом (угол зрения 180?). Она помещена в обогреваемый кожух и расположена на открытом воздухе. Записывающая часть, находящаяся в помещении, состоит из компьютера, системы приема сигналов точного времени и питающего устройства.
Свет от сияний и других ночных источников попадает в объектив видеокамеры, далее поступает на катод фотоумножителя. Усиленный оптический сигнал через передающую систему направляется в видеомагнитофон и монитор, которыми управляет компьютер по заданной программе. Снимки сияний на кадрах фиксируются в виде негатива. Геомагнитные и авроральные наблюдения синхронизованы по времени с точностью, не хуже 0,25 с.
Запуск и выключение видеокамер производятся с учетом глубины погружения Солнца (сумерки) и фаз Луны. Полярные сияния регистрируются в режиме накопления. Кадры с их снимками, а также сведения о дате и времени регистрации записываются каждые 4 с на видеокассету. Одна кассета вмещает данные наблюдений за один месяц. В процессе обработки полученной информации перевод координат сияний на земную поверхность производится по методике, предложенной Ю.А. Надубовичем [7].
Использование японских телевизионных видеокамер, установленных на наблюдательных станциях в поселках Тикси и Жиганске, существенно повысило качество получаемых данных [8], поскольку в этой телевизионной аппаратуре полностью автоматизирован весь процесс: включение-выключение, сбор, хранение, первичная обработка данных и другие операции. Таким образом, сокращено время обработки и поиска данных в архиве, выросла производительность труда. Появилась возможность на любом этапе работы сопоставить полученную информацию с результатами экспериментальных и теоретических исследований, проводимых сотрудниками института, а также отечественными и зарубежными коллегами. Эти достоинства позволили выявить ряд новых закономерностей высокоширотных иррегулярных геомагнитных пульсаций с периодом 40-150 с, а также установить их связь с параметрами волнообразных и вихревых авроральных структур в период суббурь [9].
По данным телевизионных измерений были исследованы также характеристики авроральных структур: вытянутых по меридиану Ы-Э сияний и авроральных факелов, связанных с квазирегулярными геомагнитными пульсациями с периодом 2-20 мин [10]. На рис. 4 (видеокадры 1, 2, 3) показаны стадии формирования Ы-Э структур. Кадры 4, 5, 6 дают информацию об образовании авроральной структуры под названием «факел». Факелы - это языки аврорального свечения, наблюдаемые на высокоширотной границе диффузной зоны сияний и вытянутые к полюсу по меридиану на сотни километров.
В дальнейшем были изучены механизмы генерации геомагнитных пульсаций, сопровождающих Ы-Э сияния и факелы [11]. Кроме того, исследовалось формирование крупномасштабных волн свечения на экваториальной границе диффузных свечений в вечернем секторе в период магнитных бурь и их взаимосвязь с вариациями магнитного поля. Показано, что волны диффузного свечения длиной 150-500 км и амплитудой от 50 до 250 км, рас-
пространяются в западном направлении со скоростью ~1 км/с. Впервые обнаружено, что формирование этих авроральных структур свечения сопровождается возбуждением регулярных геомагнитных пульсаций с периодом 150-600 с.
В последние годы по телевизионным кадрам строятся так называемые кеограммы - распределение интенсивности свечения дискретных и диффузных сияний, а также ночного неба в пространстве и времени. Обработка видеокадров с суммарным значением яркости свечений в меридиональном сечении дает кеограммы в виде вертикальных полос, яркость и цвет которых зависят от характеристик регистрируемых структур. Кеограмма, приведенная на рис. 5, построена с использованием четырех секундных видеокадров, полученных 25 января 1998 г. на станции в пос. Тикси в интервале 11.0020.00 ит (мировое время) с 64?до 79?с.ш. Красный и желтый цвета соответствуют дискретным формам сияний, а зеленый - диффузному свечению. Синий цвет - свечение ночного неба. О величине относительной интенсивности свечений дискретных и диффузных сияний можно судить по тем значениям, которые приведены на цветной шкале. Кеограмма показывает, что примерно до 15.00 ит север нее зенита станции наблюдения (~ 71,6? с.ш.; см. рис. 5) отмечены непродолжительные кратковременные дискретные сияния на фоне диффузных авроральных свечений, а к югу от 74?с.ш. - только свечение ночного неба. Позже этого времени видна активизация дискретных форм сияний: рост их яркости и пространственное перемещение. Однако с 17.00 до 18.00 ит дискретные формы наблюдаются только на юге, а затем они уходят на север.
Поскольку кеограммы дают информацию об изменении яркости, размера и локализации различных форм сияний в зависимости от времени суток и геомагнитной активности, по этим параметрам можно оценить вклад дискретных и диффузных потоков вторгающихся заряженных частиц, вызывающих соответствующие формы свечения. Эти экспериментальные результаты позволяют строить модели образования полярных сияний, а
Юг
Рис. 4. Стадии формирования сияний, вытянутых с севера на юг (N-5 сияния) (1-3) и образования факельных структ ур в диффузных формах сияний (4-6). Слева внизу каждого кадра -мировое время. 1996 г. (пос. Тикси).
42
14 15 16 17 18 19 Мировое время (UT)
85 127 170
Интенсивность свечения, отн. ед.
212
255
Рис. 5. Кеограмма, построенная по т елевизионным кадрам, снятым с 4-секундным разрешением. Прямой линией условно показан зенит станции наблюдения (~ 71,6?с.ш.). 25 января 1998 г. (пос. Тикси).
также помогают понять физические процессы, происходящие в системе «ионосфера - магнитосфера».
Лит ерат ура
1. Мизун Ю.Г. Полярные сияния. - М.: Наука, 1983. -133 с.
2. Величко В.А, Николашкин С.В., Смот рицкий С.Р., Самсонов В.П., Новиков А.А. Быстродействующая телевизионная уст ановка и первые результ аты по регистрации полярных сияний // Комплексные исследования авроральной и субавроральной ионосферы. -Якут ск: Изд-во ЯФ СОАН СССР, 1983. - С. 112-118.
3. Величко В.А.., Молочушкин Н.Е., Самсонов В.П., Смот рицкий С.Р. Об ориентации лучей с малым временем жизни в активной короне полярных сияний // Геомагнетизм и аэрономия. - 1985. - Т. 25, № 5. -С. 865-857.
4. ВеличкоВ.А., МолочушкинН.Е., СамсоновВ.П. Ориентация лучей активных корон полярного сияния // Геомагнетизм и аэрономия. -1987. - Т. 27, №2. - С. 326-328.
5. Борисов Г.В., Величко В.А. Фотомет рические и телевизионные наблюдения полярных сияний // Препринт. - Якут ск: Изд-во ЯФ СО РАН, 2002. - 36 с.
6. Yumoto K., 210?MM Magnetic Observation Group.
The STEP 210? Magnetic Meridian Network Project // J. Geomag. Geoeiectr. -1996. - V. 48. - P. 1297-1309.
7. Надубович Ю.А. Береговой эффект в полярных сияниях // Полярные сияния и свечения ночного неба. -М.: МГК АН СССР-1967. -Т. 14. - С. 87.
8. Shiokawa K., Yumoto K., Tanaka Y. et al. Auroral observations using automatic optical instruments: relations with multiple Pi2 magnetic pulsations // J. Geomag. Geoelectr. -1996. - V 48. - P. 1407-1410.
9. Соловьев С.И., Юмот о К., Баишев Д.Г., Молочушкин Н.Е. О причине возбуждения и формирования спек-т ра высокоширотных геомагнитных пульсаций Pi2 в течение псевдобрейкапов и многих начал суббури // Геомагнетизм и аэрономия. -1997. - Т. 37, № 5. - С. 60-69.
10. Solovyev S.I., Baishev D.G., Barkova E.S. et al. Structure of disturbances in the dayside and nightside ionosphere during periods of negative interplanetary magnetic field Bz // J. Geophys. Res. - 1999. - V. 104, № 12. - P. 28019-280338.
11. Solovyev S.I., Baishev D.G., Barkova E.S. et al. Excitation of Ps6 geomagnetic pulsation relative to north-south aurora structures in the evening-premidnight sector of the auroral zone // SUBSTORMS-4; Ed. S. Kokubun and Y. Kamide. - Tokyo: Terra Sci., 1998. - P. 563-566.
Гипотезы облегчают отыскание истины, как плуг земледельца облегчает выращивание полезныхраст ений.
Менделеев
